Физико-химические процессы и закономерности образования и роста тонких слоев и покрытий, формируемых из газовой фазы физическим осаждением

Формирование тонких слоев и покрытий из газовой фазы физическим осаждением является многостадийным и многофакторным процессом. Различают следующие, последовательно протекающие стадии формирования слоя или покрытия:

- образование адсорбционной фазы и взаимодействие адсорбированных атомов между собой и с атомами подложки;

- зародышеобразование в адсорбционной фазе и рост зародышей;

- образование сплошного слоя или покрытия в результате взаимодействия зародышей между собой, их слияние (коалесценция) и дальнейший рост слоя или покрытия.

Каждая из этих стадий характеризуется особенностями структурного состояния, а механизм и кинетика протекающих при этом элементарных процессов оказывают влияние на свойства формируемых слоев или покрытий и в значительной степени зависят от условий формирования слоев или покрытий. В случае осаждения в вакууме из газового потока определяющее влияние на механизм и кинетику формирования слоев или покрытий, их структуру и свойства оказывают следующие параметры:

1. Давление остаточных газов в вакуумной камере: существует эмпирическое правило: чем выше давление в камере, тем ниже качество покрытия.

2. Плотность потока падающих на поверхность атомов j: при возрастании j, как правило, происходит более интенсивное зародышеобразование конденсированной фазы и повышается сплошность покрытия, увеличивается его адгезия к поверхности и коррозионная стойкость.

3. Температура поверхности подложки: при ее повышении формируется покрытие с более равновесной структурой. Однако при этом снижается его сплошность и скорость осаждения. Изменение температуры покрытия после его нанесения может быть причиной полиморфных превращений, которые, в общем случае, оказывают сложное влияние на их структуру и свойства.

4. Степень ионизации и энергия падающих атомов: повышение степени ионизации и энергии падающих атомов до определенного предельного значения способствуют повышению качества осаждаемого покрытия. При больших значениях энергии атомов, взаимодействующих с поверхностью и участвующих в процессах роста пленки, возможно образование в ней структурных дефектов и даже, при определенных режимах, – травление растущего покрытия.

Ниже подробно рассматриваются основные стадии роста покрытий при их осаждении из газового потока, механизмы и кинетика протекающих при этом физико-химических процессов.

2.1. Образование адсорбционной фазы: механизмы и кинетика элементарных процессов взаимодействия отдельных атомов с поверхностью при их осаждении из газового потока.

Если на поверхность твердого тела, находящегося в вакууме, действует (осаждается) поток частиц с плотностью j (на практике, в технологии осаждения покрытий используются потоки с j ~ 10¹⁰…10²⁰ атомов/(с×м²), то при взаимодействии отдельного атома с поверхностью протекают следующие относительно элементарные процессы:

2.1.1. Энергообмен (аккомодация)с поверхностными атомами подложки.

В зависимости от условий энергообмена, природы взаимодействующего атома и атомов подложки возможны две взаимоисключающие друг друга ситуации (Рис. 2.6):

Рис.2.6. Взаимодействие атомов с поверхностью

а) атом упруго отразился;

б) атом закрепился на поверхности – перешел в адсорбированное состояние.

Для характеристики термической аккомодации используют коэффициент аккомодации а_т, который определяет долю энергии, переданной атомам поверхности при взаимодействии. Если распределение по энергии падающих и исходящих с поверхности атомов подчиняется закону Максвелла, то

а_т или а_{т ,}

где Е ¯ и Т ¯ – энергия и температура атомов, поступающих на поверхность; Е ­ и Т ­ – энергия и температура атомов, уходящих в газовую фазу; Е_п и Т_п – энергия и температура атомов подложки соответственно.

При Е­=Е_п имеем а_т=1, т. е. наблюдается полная аккомодация. Считается, что всегда при реализующихся на практике условиях и режимах осаждения а_т£1.

Установлено, что практически полный энергообмен между атомами на поверхности происходит за время, равное двум периодам согласованных колебаний адсорбированного атома (адатома) и атома подложки: t_т»2t_о (t_о – период колебаний атомов в решетке, t_о~ 10^-12…10^-13с). Расчеты показывают, что если массы атома подложки и атома, взаимодействующего с поверхностью, примерно равны и Е¯ < 25 E_а то аккомодация практически всегда полная, и в итоге атом закрепляется (адсорбируется) на поверхности. Если взаимодействующий с поверхностью атом имеет массу меньшую атома подложки, то аккомодация всегда неполная (а_т<1).

Дата добавления: 2014-12-25